N dordre 2009-ISAL-0039 Anne 2009

Thse

Comportement mcanique des soudures

par points : mcanismes et stratgies de

prdiction dans le cas des tles en acier

pour automobile

Prsente devant

LInstitut National des Sciences Appliques de Lyon

Pour obtenir

Le grade de docteur

cole doctorale : cole doctorale matriaux de Lyon

Formation doctorale : Matriaux

Par

Sylvain DANCETTE (Ingnieur)

Jury

Rapporteur Y. BRECHET Professeur (Institut National Polytechnique

de Grenoble)

T. DUPUY Docteur Ingnieur (ArcelorMittal)

D. FABREGUE Matre de Confrences (INSA de Lyon)

A-F. GOURGUES Professeur (Centre des Matriaux

Mines Paris)

V. MASSARDIER Matre de Confrences (INSA de Lyon)

J. MERLIN Professeur (INSA de Lyon)

Rapporteur T. PARDOEN Professeur (Universit Catholique de

Louvain)

Laboratoire de recherche : MATEIS UMR 5510

p. 3

Comportement mcanique des soudures par points : mcanismes et stratgies de prdiction dans le cas des tles en acier pour automobile

Rsum

Dans le cadre du dveloppement de nouveaux aciers plus performants pour les

applications automobiles, il est ncessaire de disposer doutils permettant de prvoir

la tenue mcanique des points souds par rsistance. En effet, si les proprits

mcaniques leves des nouveaux aciers Trs Haute Rsistance (THR) permettent

denvisager une rduction de lpaisseur des tles, la tenue mcanique de

lassemblage final dpend de celle des liaisons soudes.

Une premire phase du travail de thse a t consacre une exploi tation

statistique de donnes exprimentales de soudage par points disponibles chez

ArcelorMittal, afin dobtenir un aperu global du comportement mcanique des

points souds en acier THR. Un modle empirique de prvision de la tenue

mcanique des points souds a t propos. Nanmoins, les limites dune telle

approche ont t identifies et un programme exprimental a t tabli afin daffiner

la comprhension des mcanismes mis en jeu dans la rupture des points souds, en

traction en croix et en traction cisaillement. Des essais de traction interrompus ont

t raliss et les aspects tridimensionnels de lendommagement des points souds

ont pu tre compris par une utilisation conjointe des techniques de

microtomographie aux rayons X, de mtallographie et de fractographie. Trois zones

de rupture principales ont t identifies, ainsi que les mcanismes principaux

entrant en jeu dans les diffrents modes de rupture. De plus, une simulation

exprimentale des cycles thermiques de soudage a t conduite afin dvaluer

limpact du soudage sur les proprits mcaniques locales du point soud. Les

donnes obtenues ont conduit la mise en place dune modlisation mcanique par

lments finis du comportement de lassemblage soud. Le modle ralis a permis

destimer la tenue mcanique du point dans les modes de rupture principaux et de

retrouver lvolution du mode rupture en fonction des caractristiques gomtriques

du point et du type de chargement.

Mots-Cls: soudage par points - aciers trs haute rsistance - traction en croix -

traction cisaillement - endommagement - modlisation - mcanique - rupture -

microstructure - statistique

p. 4

Mechanical behaviour of automotive steels resistance spot welds: failure mechanisms and prediction strategies

Abstract

Predicting the strength of Advanced High Strength Steels resistance spot welds is a

huge challenge in the automotive industry. Indeed, the crash properties of a car

body structure depends on the performance of the welded joints.

A first step in the PhD work consisted in a statistical analysis of

experimental spot welding data available at ArcelorMittal in order to get insights

into spot welds mechanical behaviour. An empirical model was proposed for the

prediction of spot welds strength. An experimental protocol was developed to

overcome the limits of such a model and obtain a better understanding of failure

mechanisms. Interrupted Cross Tension and Tensile Shear tests were performed and

spot welds failure was investigated with optical micrographs, SEM fractography

and 3D-tomography in order to follow the three-dimensional crack paths due to

the complex loading modes. A limited number of failure zones and damage

mechanisms could be distinguished. Next, a Finite Elements model of spot welds

behaviour was developed, requiring an appropriate description of Heat Affected

Zones mechanical properties. This has been obtained by experimental

simulations of the spot welding thermal cycles with a Gleeble machine followed

by classical mechanical tests. Spot welds strength and failure type could be

predicted as a function of the geometrical features the weld assembly and the

loading mode.

Keywords: spot welding - high strength steels - cross tension - tensile shear -

damage - modeling - mechanics - fracture - microstructure - statistics

p. 5

Sommaire

Sommaire .................................................................................................................................................. 5

Introduction gnrale ................................................................................................................................ 9

Partie 1 : Etude bibliographique .............................................................................................................. 13

Chapitre 1. Gnralits ...................................................................................................................... 14

1.1. Les aciers pour automobile ..................................................................................................... 14

1.2. Le soudage par points ............................................................................................................. 17

1.2.1. Principe ........................................................................................................................... 17

1.2.2. Le point soud ................................................................................................................. 19

1.2.3. Les essais de traction en croix et traction cisaillement ................................................... 21

1.2.4. Le domaine de soudabilit .............................................................................................. 23

Chapitre 2. Comportement mcanique des points souds en sollicitation quasi-statique ................. 26

2.1. Approches exprimentales du comportement mcanique des points souds .......................... 26

2.1.1. Comportement mcanique des points souds en aciers ferritiques ................................. 26

2.1.2. Comportement mcanique des points souds en aciers (Trs) Haute Rsistance ........ 30

2.1.3. Conclusions partielles Approches exprimentales du comportement mcanique des points souds ................................................................................................................................... 35

2.2. Modles simples du comportement mcanique des points souds ......................................... 36

2.2.1. Modles en traction en croix ........................................................................................... 37

2.2.2. Modles en traction cisaillement..................................................................................... 40

2.2.3. Modles en sollicitation mixte ........................................................................................ 44

2.2.4. Conclusions partielles Modles simples du comportement mcanique des points souds ......................................................................................................................................... 45

Chapitre 3. Etudes mcaniques des assemblages souds par points .................................................. 46

3.1. Singularit des contraintes en fond dentaille ......................................................................... 46 3.1.1. Etat de contrainte la priphrie du point soud ............................................................ 47

3.1.2. Expressions analytiques de ltat de contrainte en fond dentaille ................................. 50 3.1.3. Intgrale J lastique-plastique en fond dentaille ............................................................ 53

3.2. Modlisation numrique du comportement des points souds en grandes dformations ....... 53

3.2.1. Distribution des contraintes autour du point soud ......................................................... 53

3.2.2. Simulation de la rponse mcanique des points souds .................................................. 55

3.3. Conclusions ............................................................................................................................. 61

Synthse .................................................................................................................................................. 62

p. 6

Partie 2 : Etat des lieux sur le comportement des points souds ............................................................. 63

Chapitre 4. Analyse statistique des donnes exprimentales de soudage par points ......................... 64

4.1. Base de donnes ...................................................................................................................... 64

4.1.1. Modes de rupture ............................................................................................................ 65

4.1.2. Tenue mcanique ............................................................................................................ 66

4.2. Recherche de variables influentes ........................................................................................... 67

4.2.1. Variables influentes en traction en croix ......................................................................... 68

4.2.2. Variables influentes en traction cisaillement .................................................................. 74

4.2.3. Conclusions partielles Variables influentes ................................................................. 77 4.3. Modle statistique de prdiction de la tenue mcanique ......................................................... 78

4.3.1. Principe du modle.......................................................................................................... 78

4.3.2. Modle en traction en croix ............................................................................................ 79

4.3.3. Modle en traction cisaillement ...................................................................................... 81

4.3.4. Conclusions partielles Modle statistique de prdiction de la tenue mcanique ......... 84 4.4. Conclusions ............................................................................................................................. 85

Chapitre 5. Etude exprimentale du comportement mcanique des points souds en sollicitation

quasi-statique ......................................................................................................................................... 88

5.1. Matriaux et techniques .......................................................................................................... 88

5.1.1. Nuances cibles................................................................................................................. 88

5.1.2. Procdure exprimentale ................................................................................................. 90

5.1.3. Dispersion de la tenue mcanique en haut de domaine .................................................. 93

5.2. Comportement des points souds en traction en croix ............................................................ 94

5.2.1. Caractrisation du montage de traction en croix interrompue ........................................ 94

5.2.2. Comportement en haut de domaine en traction en croix ................................................ 95

5.2.3. Comportement en bas de domaine en traction en croix ................................................ 107

5.2.4. Conclusions partielles traction en croix ..................................................................... 109 5.3. Comportement des points souds en traction cisaillement ................................................... 110

5.3.1. Dboutonnage dans le mtal de base ............................................................................ 110

5.3.2. Rupture partielle linterface ....................................................................................... 112 5.3.3. Rupture interfaciale totale ............................................................................................. 112

5.3.4. Conclusions partielles traction cisaillement ............................................................... 114 5.4. Conclusions ........................................................................................................................... 114

p. 7

Partie 3 : Analyse des interactions entre les phnomnes mtallurgiques en ZAT et la sollicitation

mcanique des points ............................................................................................................................ 117

Chapitre 6. Etude du cycle thermique de soudage par points et des microstructures obtenues ....... 118

6.1. Procdure exprimentale ....................................................................................................... 118

6.1.1. Simulation lectro-thermo-mcanique du procd de soudage par points - Prsentation

du modle numrique .................................................................................................................... 118

6.1.2. Simulation exprimentale des cycles thermiques des diffrentes zones de la ZAT ..... 120

6.1.3. Caractrisation microstructurale et mcanique ............................................................. 122

6.2. Simulation lectro-thermo-mcanique par lments finis du procd de soudage par points ....

............................................................................................................................................... 124

6.2.1. Dtermination des diamtres de noyau et de ZAT / validation des simulations ........... 124

6.2.2. Cycles thermiques de soudage par points ..................................................................... 126

6.2.3. Conclusions partielles Simulation numrique du procd de soudage par points ..... 130 6.3. Etude exprimentale du cycle thermique de soudage par points .......................................... 131

6.3.1. Influence des paramtres majeurs (temprature maximale atteinte et vitesse de

refroidissement) sur les microstructures et les proprits mcaniques tude de la trempabilit des aciers ....................................................................................................................................... 131

6.3.2. Etude des cycles rels de soudage dans les zones de rupture du point soud ............... 140

6.3.3. Conclusions de ltude exprimentale .......................................................................... 150 6.4. Conclusions ........................................................................................................................... 151

Chapitre 7. Modle numrique des assemblages souds par points en traction en croix et traction

cisaillement ....................................................................................................................................... 152

7.1. Modlisation en grandes dformations ................................................................................. 152

7.1.1. Modle du point soud .................................................................................................. 152

7.1.2. Modle en traction en croix .......................................................................................... 155

7.1.3. Modle en traction cisaillement .................................................................................... 160

7.2. Singularit des contraintes en fond dentaille ....................................................................... 162 7.2.1. Traction en croix ........................................................................................................... 162

7.2.2. Traction cisaillement ..................................................................................................... 165

7.3. Paramtres dinfluence sur le comportement du point soud ............................................... 167 7.3.1. Traction en croix ........................................................................................................... 168

7.3.2. Traction cisaillement ..................................................................................................... 171

7.4. Conclusions ........................................................................................................................... 174

Chapitre 8. Rupture des points souds ............................................................................................. 176

8.1. Critres de Rupture ............................................................................................................... 176

8.1.1. Dformation critique ..................................................................................................... 177

8.1.2. Taux critique dnergie disponible en fond dentaille, Jc ............................................. 179 8.1.3. Zones cohsives ............................................................................................................ 179

8.2. Modes de rupture .................................................................................................................. 182

8.2.1. Dboutonnage en bordure de noyau .............................................................................. 182

8.2.2. Dboutonnage par striction en SCZAT / MB ............................................................... 183

8.2.3. Rupture linterface en cisaillement ............................................................................ 185 8.2.4. Rupture linterface en mode I ..................................................................................... 186

8.3. Conclusions ........................................................................................................................... 188

Conclusions gnrales et perspectives .................................................................................................. 191

p. 8

Annexes ................................................................................................................................................. 199

Annexe 1 : Notions de mcanique de la rupture ............................................................................... 199

Modes de propagation de fissure .................................................................................................. 199

Thorie de Griffith pour lnergie de rupture Gc .......................................................................... 199 Thorie dIrwin pour le Facteur dIntensit des Contraintes ou FIC (not K) ............................. 200 Expression de K dans le cas gnral ............................................................................................. 200

Etendue de la zone plastique ......................................................................................................... 201

Intgrale J de Rice-Cherepanov .................................................................................................... 202

Propagation des fissures ................................................................................................................ 203

Annexe 2 : Modles du comportement des points souds en sollicitation mixte ............................. 204

Annexe 3 : Rgression PLS .............................................................................................................. 209

Algorithme de rgression PLS ...................................................................................................... 209

Coefficients de rgression PLS ..................................................................................................... 211

Annexe 4 : Tenue mcanique en traction en croix et traction cisaillement des nuances slectionnes

........................................................................................................................................................... 212

Annexe 5 : Proprits mcaniques des nuances tudies en fonction du cycle thermique ............... 214

Proprits mcaniques en traction en fonction de la temprature et de la vitesse de refroidissement

....................................................................................................................................................... 214

Proprits mcaniques en traction dans les zones de rupture du point soud ............................... 215

Rfrences ............................................................................................................................................. 218

Symboles et abrviations ...................................................................................................................... 225

Introduction gnrale p. 9

Introduction gnrale

Le soudage par rsistance par points est un procd dassemblage trs couramment utilis dans

lindustrie automobile. Il prsente lavantage dtre la fois rapide, conomique et adapt au soudage

des aciers, principaux matriaux utiliss dans les structures de caisse en blanc automobiles. Un vhicule

contient typiquement entre 3000 et 5000 points souds. Les aciers Haute Rsistance (HR) sont de

bons candidats pour les applications automobiles, avec un compromis intressant entre rsistance et

masse volumique, un cot de fabrication raisonnable et une bonne aptitude au soudage par points.

Le contexte actuel de sensibilisation limpact cologique dun vhicule a orient lindustrie

automobile vers la conception de modles plus conomes en carburant et rejetant ainsi moins de gaz

effet de serre. La ralisation de cet objectif passe entre autres par la diminution de la masse des

vhicules. Dans cette optique, il est envisageable de rduire lpaisseur des tles utilises si elles

possdent des proprits mcaniques plus leves, afin de garantir le comportement mcanique de la

structure. Le dveloppement des aciers Trs Haute Rsistance (THR) rpond cette problmatique.

Nanmoins, la tenue mcanique de lassemblage final dpend non seulement des proprits mcaniques

intrinsques des tles, mais aussi de celles des liaisons soudes, par lesquelles transitent les efforts. Il

est donc ncessaire de disposer doutils permettant de prvoir la tenue mcanique des points souds par

rsistance.

Si la soudabilit par points des aciers ferritiques a t largement tudie depuis plusieurs dcennies et a

influenc les normes en vigueur dans lindustrie automobile, le comportement mcanique des points

souds en aciers THR prsente un certain nombre de particularits, qui peuvent tre considres

comme critiques par les constructeurs automobiles. Les points souds se caractrisent ainsi par une

tendance accrue aux modes de ruptures partiellement ou totalement linterface, malgr des noyaux

fondus correctement dvelopps et des tenues mcaniques importantes. De telles ruptures peuvent

prter confusion sur les lignes dassemblage automobile, o la "culture" associe la soudabilit des

aciers ferritiques suggre quune rupture linterface est synonyme dune soudure improprement

ralise. Par ailleurs, une autre caractristique des points souds en aciers THR est que leur tenue

mcanique naugmente pas forcment avec la rsistance mcanique du Mtal de Base (MB), ce qui

constitue un paradoxe mritant dtre dtaill.

Introduction gnrale p. 10

Face la complexit des ruptures pouvant tre rencontres, le premier objectif de la thse est

dapporter des lments de comprhension sur le comportement des points souds, dans les deux

modes de sollicitation classiquement utiliss dans lindustrie : la traction en croix et la traction

cisaillement. Le deuxime objectif est dtablir une modlisation de la tenue mcanique, par une voie

empirique dans un premier temps et par une approche physico-mcanique dans un second temps.

Afin de poser les bases du travail ralis au cours de la thse, la premire partie de ce manuscrit est

consacre une tude bibliographique du problme. Le chapitre 1 introduit les notions gnrales

relatives au procd de soudage par rsistance par points et aux aciers THR pour lautomobile. Le

chapitre 2 recense les tudes disponibles dans la littrature sur le comportement mcanique des points

souds et les modles simples qui en ont t drivs. Enfin, le chapitre 3 traite des tudes mcaniques

plus avances de ltat de sollicitation du point soud et de sa modlisation, essentiellement par

lments finis.

La deuxime partie du manuscrit propose un tat des lieux sur le comportement des points souds, bas

dans un premier temps sur une approche empirique globale et dans un deuxime temps sur une tude

exprimentale cible sur quelques nuances reprsentatives de la diversit des comportements.

Le chapitre 4 est ainsi consacr une tude statistique de la tenue mcanique des points souds partir

dune large base de donnes exprimentales de soudage par points. Il sera loccasion de tester ou

dimplmenter les hypothses de modlisation prsentes au chapitre 2. Lobjectif est dobtenir un

aperu global du comportement des points souds et didentifier dans quelle mesure les donnes

disponibles chez ArcelorMittal, issues de la caractrisation de la soudabilit des nuances daciers pour

automobile, peuvent permettre destimer la tenue mcanique des points souds.

Le chapitre 5 dcrit ltude exprimentale conduite sur cinq nuances sollicites en traction en croix et

en traction cisaillement, dans le but damliorer la comprhension des mcanismes dendommagement

des points souds. Des essais de traction interrompus ont t raliss et les chantillons analyss en

microtomographie aux rayons X, en fractographie et en mtallographie de faon visualiser les aspects

tridimensionnels de la rupture des points souds. Ce chapitre sera loccasion de valider et de complter

les mcanismes identifis dans la littrature au chapitre 2.

Dans une optique de modlisation plus fine du comportement des points souds, la troisime partie de

ce manuscrit est ddie une analyse des phnomnes mtallurgiques en Zone Affecte

Thermiquement (ZAT) et leurs consquences sur le comportement mcanique du point soud.

Introduction gnrale p. 11

Le chapitre 6 est ainsi consacr une tude du cycle de soudage par points et des microstructures

engendres, dans le but dobtenir des donnes quantitatives et utilisables en simulation numrique

quant- limpact des cycles thermiques sur les proprits mcaniques locales dans le point soud.

Ltude sappuie sur : (i) la simulation numrique du procd de soudage par points afin didentifier les

cycles thermiques dans les diffrentes zones de la ZAT, (ii) la simulation exprimentale de ces cycles

dans un simulateur Gleeble 3500 afin dtudier les proprits mcaniques des microstructures gnres.

Sur la base des donnes obtenues au chapitre 6, le chapitre 7 prsente ltablissement dun modle

numrique du comportement du point soud en cherchant rpondre aux besoins identifis dans la

littrature au chapitre 3. Lattention sera porte sur une modlisation en grandes dformations

cherchant dcrire linfluence des paramtres gomtriques et mtallurgiques du point soud sur son

comportement.

Enfin, le chapitre 8 dtaille lutilisation du modle et de critres de rupture adapts aux mcanismes

observs au chapitre 5 afin dobtenir un aperu global de la tenue mcanique des points souds.

p. 13

Partie 1 : Etude bibliographique

Chapitre 1 p. 14

Chapitre 1. Gnralits

Le soudage par points appartient la famille des procds de soudage par rsistance. Il est utilis pour

assembler deux tles (ou plus) dont lpaisseur est typiquement comprise entre 0,5 et quelques mm.

L'industrie automobile en fait un usage trs grande chelle pour assembler la carrosserie et la caisse

en blanc d'un vhicule. Les aciers pour automobile sont prsents dans un premier temps, suivis dune

introduction au soudage par points.

1.1. Les aciers pour automobile

Les aciers plats pour automobile sont en gnral classs en trois grandes familles prsentes ci-dessous.

Les caractristiques de ces aciers sont rsumes la Figure 1-1 et au Tableau 1-1 [ARC 08] :

- aciers ferritiques pour emboutissage : aciers calms aluminium (Al-k) ou sans interstitiels (IF),

- aciers ferritiques Haute Rsistance (HR) : aciers isotropes ou Bake Hardening (BH), aciers

rephosphors (reP) avec ou sans interstitiels, aciers micro-allis haute limite dlasticit

(HSLA),

- aciers multiphass Trs Haute Rsistance (THR) : aciers Dual Phase (DP) ou Ferrite-Bainite

(FB) de grade lev, aciers TRansformation Induced Plasticity (TRIP), aciers multiphass (M),

aciers martensitiques pour emboutissage

Les aciers suivants seront retrouvs dans la suite du document :

Aciers Al-k et Al-k reP

Les aciers Al-k ("Aluminium killed", calms laluminium) sont des aciers ferritiques (typiquement

0.010-0.100 % de carbone) dans lesquels lajout daluminium permet de prcipiter tout ou partie de

lazote en solution. Ils peuvent tre rephosphors (reP) de faon augmenter leur rsistance mcanique.

Le durcissement est assur par les lments en solution solide tels que le manganse, le silicium et le

phosphore. Les aciers Al-k possdent une trs bonne emboutissabilit et les Al-k reP peuvent tre

destins aux pices de renfort de par leur tenue mcanique plus leve [ARC 08].

Chapitre 1 p. 15

Figure 1-1. Diagramme rsistance emboutissabilit pour les principales familles daciers plats carbone, daprs [ARC 08] : a) aciers lamins chaud, b) aciers lamins froid

Tableau 1-1. Caractristiques des principales familles daciers plats carbone, daprs [ARC 08]

TRIP

M

DP FB

HSLA Aciers ferritiques

pour emboutissage

HSLA

DP TRIP

Aciers martensitiques

pour emboutissage

Aciers martensitiques

pour emboutissage

IF reP

a)

b)

Aciers ferritiques

pour emboutissage

Aciers ferritiques

pour emboutissage

Aciers ferritiques

HR

Aciers multiphass

THR

Chapitre 1 p. 16

Aciers IF et IF reP

Les aciers IF au titane sont des aciers ferritiques sans lment interstitiels dans la matrice cristalline du

fer et avec trs peu de carbone (0.006 % max). Les atomes interstitiels (carbone, azote) sont prcipits

par adjonction de titane (Ti-killed). Les IF sont principalement durcis par les lments en solution

solide (manganse, phosphore). Ils peuvent de plus tre rephosphors (aciers IF reP) de faon

augmenter leur rsistance mcanique. Ils sont utiliss dans les pices de peau ou de structure du fait de

leur trs bon compromis emboutissabilit rsistance mcanique (Figure 1-1) [IIS 06], [ARC 08].

Aciers HSLA

Les aciers HSLA (High Strength Low Alloyed) sont des aciers faiblement allis haute limite

dlasticit (250-600 MPa), avec une teneur en carbone gnralement suprieure 0.080 %. La

prsence dlments en faible quantit tels que le niobium ou le titane permet une fine prcipitation de

carbonitrures lorigine dun affinage du grain, responsable de leur durcissement. Ils sont

essentiellement utiliss dans les pices de renfort ([IIS 06], [ARC 08]).

Aciers DP lamins chaud ou froid

Les aciers Dual Phase (DP) sont des aciers biphass basse limite dlasticit et (trs) haute

rsistance (450-1200 MPa). Ils sont constitus dune matrice ferritique ponctue dilots de phases dures

(martensite principalement, Figure 1-2-a). La phase ferritique gnralement continue assure une

ductilit importante alors que la proportion de constituants durs contrle la rsistance mcanique. Le

ratio de la limite dlasticit sur la rsistance mcanique est gnralement infrieur 0.6 et le

coefficient dcrouissage initial est lev. La trempabilit de ces aciers est gnralement assure avec le

carbone, le manganse, le silicium, le chrome, le molybdne, le vanadium ou le nickel. De plus, les DP

de haut grade possdent en gnral des prcipits participant au durcissement. Ils permettent un

allgement des pices de structures de par leur rsistance mcanique leve ([IIS 06], [ARC 08]).

Aciers FB

Les aciers Ferrite-Bainite (FB) sont des aciers haute rsistance et lamins chaud. Ils prsentent une

microstructure constitue de ferrite fine et de bainite. Le durcissement est obtenu par affinement du

grain et grce au second constituant bainitique. Ils possdent une rsistance mcanique leve et une

bonne aptitude la dformation et au poinonnage. Ils sont typiquement utiliss dans les pices de

structure, les roues ou les pices de mcanique ([IIS 06], [ARC 08]).

Aciers TRIP

Les aciers TRIP (TRansformation Induced Plasticity) sont des aciers multiphass trs haute rsistance

dont la microstructure consiste en une matrice de ferrite parseme de phases dures (bainite, martensite)

Chapitre 1 p. 17

et dune proportion non ngligeable daustnite rsiduelle (5-20%, Figure 1-2-b). Laustnite rsiduelle

hors quilibre temprature ambiante se transforme en martensite en cas de sollicitation mcanique et

permet dassurer un coefficient dcrouissage important jusqu des niveaux de dformation levs.

Les aciers TRIP sont gnralement plus chargs en lments dalliage que les DP de faon obtenir

une temprature de fin de transformation martensitique en dessous de la temprature ambiante. Ils sont

gnralement utiliss comme pices de structure ou de renfort de par leur forte capacit dabsorption

dnergie et leur rsistance la fatigue ([IIS 06], [ARC 08]).

Aciers M

Les aciers multiphass (M) sont des aciers trs haute rsistance lamins chaud et en gnral destins

aux lments de structure mis en forme froid ou aux pices de scurit. Ils ont une microstructure qui

peut tre ferrito-bainitique trs fine, bainitique durcie par des prcipits ou encore martensitique selon

le grade considr [ARC 08].

Figure 1-2. Microstructures schmatiques dun acier DP (a) et dun acier TRIP (b)

1.2. Le soudage par points

L'ide du soudage par rsistance est attribue l'amricain Elihu THOMSON en 1877. Elle consiste

faire circuler un courant lectrique de forte intensit entre les deux parties mtalliques assembler et

utiliser l'effet joule et la rsistance de contact pour amener la matire la fusion.

1.2.1. Principe

Un schma de principe du soudage par points est prsent Figure 1-3. Les deux tles soudes par points

peuvent avoir des caractristiques diffrentes (composition chimique, revtement) et nont pas

forcment la mme paisseur. On parle de soudage par points homogne lorsque les deux tles soudes

sont identiques.

Les diffrentes phases du procd sont les suivantes :

DP TRIP

a) b)

Chapitre 1 p. 18

Figure 1-3. Schma de principe et phases successives du procd de soudage par points

Accostage : les deux tles souder sont places entre deux lectrodes en alliage de cuivre (trs

conducteur). Les lectrodes viennent alors serrer les tles en un point avec une force nomme

"effort de soudage". Cette premire phase est appele "phase d'accostage". Le temps d'accostage

est le temps ncessaire pour atteindre l'effort nominal de soudage (200 600 daN selon

l'paisseur et le grade des tles).

Soudage : les tles tant maintenues en un point par l'effort de soudage, un courant de forte

intensit (5-20 kA sous quelques Volt) est appliqu entre les deux lectrodes pendant un temps t

dit "temps de soudage" (typiquement 10 50 priodes en 50 Hz). L'effet joule associ la

rsistance de contact entre les deux tles entrane une augmentation trs rapide de la

temprature et permet le dveloppement d'un noyau fondu l'interface.

Maintien : le courant ne circule plus mais l'effort de soudage est maintenu pour permettre au

noyau fondu de se solidifier (vacuation de la chaleur par les lectrodes de cuivre refroidies

leau et dans le volume des tles) et viter la formation de porosits. Le temps de maintien est

typiquement du mme ordre que le temps de soudage.

Remonte des lectrodes : pour pouvoir rcuprer le point soud ou procder un autre point

plus loin sur la tle.

I

Accostage Soudage Maintien

temps

Courant de soudage en kA

Effort de soudage en daN

F

0.2 - 1 s 0.2 0.5 s 1 s

Chapitre 1 p. 19

1.2.2. Le point soud

1.2.2.1.Gomtrie

La Figure 1-4 prsente le schma d'un point soud selon une coupe dans un plan contenant l'axe des

lectrodes. La gomtrie dun point soud prsente trois particularits :

Discontinuit de lassemblage

Prsence dune entaille susceptible de concentrer les contraintes en cas de sollicitation mcanique

Indentation des faces externes de lassemblage due leffort appliqu sur les lectrodes

Figure 1-4. Schma du point soud

Globalement, trois zones principales peuvent tre distingues. La premire est le noyau fondu, zone o

l'acier est pass l'tat liquide puis s'est refroidi trs rapidement jusqu' la temprature ambiante. La

deuxime est la zone dite "affecte thermiquement" (ZAT), c'est--dire la zone o la microstructure du

mtal de base a t modifie par le cycle thermique impos par le procd de soudage. On considre en

gnral que cette zone est celle o l'acier a vu des tempratures allant de 600C environ jusqu la

temprature de liquidus. Enfin, la dernire zone est celle du mtal de base proprement dit, o la

microstructure est inchange.

1.2.2.2.Microstructures

L'opration de soudage par points se caractrise par un cycle thermique trs rapide qui modifie

profondment la microstructure du mtal de base au voisinage du point soud. Le mtal subit un

chauffage des vitesses de lordre du millier de degrs Celsius par seconde jusqu' une temprature

pouvant aller au-del de la temprature de fusion. Il s'en suit immdiatement un refroidissement trs

rapide dont la vitesse dpend des paramtres de soudage. Un cycle de soudage par point complet est

typiquement effectu en moins d'une seconde.

Au niveau microstructural, on distingue plusieurs zones, illustres schmatiquement la Figure 1-5 :

Fond dentaille Noyau fondu Indentation

Zone Affecte

Thermiquement (ZAT)

Mtal de base

Zone de diffusion

Chapitre 1 p. 20

La zone associe au mtal de base MB : la temprature atteinte dans cette zone est reste en

dessous de 600C environ si bien qu'on ne dtecte pas de modification structurale visible.

La zone subcritique SCZAT : zone o la temprature maximale atteinte est comprise entre

environ 600C et Ac1. On nobservera globalement aucun effet sur la taille des grains mais

certaines modifications mtallurgiques peuvent dj avoir lieu selon ltat initial. Au chauffage,

une partie du carbone peut tre remis en solution. Au refroidissement, on peut observer de la

prcipitation-coalescence en prsence d'lments dispersodes, des phnomnes de revenu (de la

martensite du mtal de base par exemple) en fonction de la vitesse de refroidissement.

La zone intercritique ICZAT : zone o la temprature est arrive entre AC1 et AC3.

L'austnitisation partielle (coexistence de la ferrite et de l'austnite ) conduit des

modifications importantes de la microstructure.

La zone grains fins GFZAT : zone de temprature entre Ac3 et 1100C environ. D'aprs le

diagramme d'quilibre Fe-C, l'austnitisation est totale dans cette zone. Dans le cas du soudage,

Ac3 peut tre dcal par la rapidit du cycle thermique. Au chauffage, la nouvelle structure

austnitique, non homogne et globalement fine, remplace la microstructure initiale. Suite au

refroidissement rapide, on observera gnralement une structure bainito-martensitique fine avec

ventuellement quelques htrognits.

La zone gros grains GGZAT : zone entre 1100C environ et la temprature de fusion. Au

chauffage, on assiste une forte croissance du grain austnitique qui confre cette zone une

forte trempabilit. La microstructure obtenue aprs refroidissement rapide est en gnral

martensitique et homogne.

Zone fondue ZF : outre une fine zone de liaison (difficilement observable) constitue par la

zone semi-solide, la dernire zone est la zone fondue, o la temprature a dpass la

temprature de liquidus. La microstructure observe aprs refroidissement rapide sera

dendritique, grossire au centre du point et plus fine en bordure de noyau. On peut observer de

la sgrgation interdendritique.

Il apparat clairement que les profondes modifications de la microstructure du mtal de base autour du

point soud peuvent jouer un rle important dans la dtermination de la tenue mcanique du point.

Chapitre 1 p. 21

Figure 1-5. Microstructures gnres par l'opration de soudage

1.2.3. Les essais de traction en croix et traction cisaillement

Lessai de traction en croix et lessai de traction-cisaillement sont couramment utiliss dans lindustrie

automobile pour caractriser le comportement quasi- statique d'un point soud. Ces essais permettent

de mesurer l'effort ncessaire pour rompre le point soud dans le mode de sollicitation concern ainsi

que son mode de rupture. L'effort la rupture est communment appel CTS en traction en croix (de

l'anglais Cross Tension Strength) et TSS en traction cisaillement (de l'anglais Tensile Shear Strength).

Figure 1-6. Essais destructifs sur points souds (a) et dfinition du pourcentage de dboutonnage ("plug ratio", b), daprs [NIS 82]

1

2

3

4

5

Refroidissement rapide:

SCZAT

3 Structure martensitique fine,

possibilit dhtrognits GFZAT

GGZAT 4 Structure martensitique

grossire

1 Prcipitation, Css , revenu selon

vitesse de refroidissement

5 Sgrgation interdendritique,

dendrite grossire

ICZAT

ZF

2 Zone partiellement austnitise

plug ratio Pr = db/dn

db

dn

Marteau -burin Pelage

Traction

cisaillement

Traction en

croix

Traction en

U

a) b)

Chapitre 1 p. 22

La Figure 1-6-a) illustre ces deux types d'essais parmi dautres utiliss sur les lignes dassemblage

automobile ou en laboratoire. Dans les deux cas, on distingue en gnral trois modes de rupture

principaux :

Le premier est le dboutonnage (Button Pullout "BP"), que l'on peut facilement se figurer en

traction en croix : une des tles cde autour de son point soud. La tle arrache prsente alors

un trou plus ou moins circulaire et la tle restante prsente un "bouton" (Figure 1-7-a).

A l'oppos, la rupture peut se faire l'interface entre les tles. On parle alors de rupture

interfaciale totale (Full Interfacial Failure "FIF", Figure 1-7-b).

Entre ces deux cas extrmes, il arrive que l'on ait un petit bouton entour d'une zone arrache

dans le plan de joint, ou simplement un dbut de propagation de la rupture l'interface qui

remonte ensuite la surface, formant un demi bouton. On parle alors de rupture partielle

linterface (Partial Interfacial Failure PIF, Figure 1-7-c). On dfinit un pourcentage de

dboutonnage (plug ratio en anglais) qui est le ratio du diamtre de bouton db sur le diamtre du

noyau fondu dn (estim par la limite extrieure de la zone arrache, Figure 1-6-b).

a) b) c)

Figure 1-7. Illustrations des modes de rupture en traction en croix dans le cas dun DP 780 2mm : a) dboutonnage BP, b) rupture totale linterface FIF, c) rupture partielle linterface PIF

Au-del de ces trois modes principaux, l'American Welding Society (AWS) a recens un total de 8

modes de rupture diffrents, dont le dboutonnage total et la rupture interfaciale totale sont les deux cas

extrmes (voir Figure 1-8, daprs [GOU 05]) :

(1) rupture en mode 1 : dboutonnage total (mode de rupture habituellement accept pour les aciers

ferritiques).

(2) rupture en mode 2 : la rupture se fait en partie par un bouton (au moins 20% de la surface) et en

partie par une rupture mi-paisseur (au moins 20% de l'paisseur).

(3) rupture en mode 3 : rupture mi-paisseur, c'est--dire que le bouton ne dbouche pas travers

l'paisseur, mais au moins 20% de l'paisseur est enleve. La rupture a lieu dans la ZAT et autour du

noyau, mais pas dans le noyau lui-mme.

Chapitre 1 p. 23

(4) rupture en mode 4 : on observe la fois une zone arrache l'interface, une zone arrache mi-

paisseur et une partie dboutonne. Le noyau s'est partiellement spar.

(5) rupture en mode 5 : rupture en partie l'interface, en partie en formant un petit bouton. Le noyau

fondu est partiellement spar.

(6) rupture en mode 6 : la rupture se fait la fois mi-paisseur et dans l'interface.

(7) rupture en mode 7 : c'est le mode de rupture totalement dans le plan de joint.

(8) rupture en mode 8 : collage, il n'y a pas eu de noyau fondu form.

Figure 1-8. Diffrents modes de ruptures recenss par l'AWS, daprs [GOU 05]

1.2.4. Le domaine de soudabilit

Le domaine de soudabilit d'une tle reprsente l'intervalle de courant de soudage pour lequel les points

souds forms sont "acceptables", paramtres de soudage fixs. La notion d'acceptabilit du point est

variable. Cependant, les critres que l'on retrouve le plus souvent sont le diamtre de soudure (un

diamtre est impos), le mode de rupture (dboutonnage impos) et la tenue mcanique (un effort

minimum est impos).

La norme ISO 18278-2 [ISO 04] impose par exemple un diamtre de bouton minimum (4mm pour les

tles d'paisseur infrieure 1.3mm, 6mm pour une paisseur suprieure ou gale 1.3mm) et fixe les

conditions de soudage (diamtre des lectrodes, effort de soudage, temps de soudage, temps de

maintien) en fonction de l'paisseur de tle, de la rsistance mcanique Rm du mtal de base et de la

prsence d'un revtement.

Dans des conditions de soudage donnes, il existe une intensit minimum pour former un noyau fondu

l'interface entre les deux tles. En dessous de cette intensit, les tles ne sont pas soudes,

ventuellement simplement "colles" par diffusion ou par le brasage du revtement. Au dessus, lorsque

Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4

Mode 5 Mode 6 Mode 7 Mode 8

Chapitre 1 p. 24

l'on teste les points souds en traction en croix ou en traction-cisaillement et pour une paisseur de tle

donne, on observe en gnral pour les faibles intensits de la rupture interfaciale (FIF) qui va se

transformer progressivement en dboutonnage lorsque l'intensit croit (en passant ventuellement par

une phase de rupture partielle linterface PIF) ([WIL 79], [FER 98]). Une fois le diamtre de bouton

minimum atteint, on entre dans le domaine de soudabilit. Lorsque l'on augmente l'intensit de

soudage, il existe une limite partir de laquelle la croissance du noyau fondu a atteint le fond d'entaille

et une partie de la matire fondue l'interface est expulse sous l'effet de la force exerce par les

lectrodes (effort de soudage). C'est l'expulsion. Le phnomne d'expulsion dtermine la limite haute

du domaine de soudabilit. On notera qu'il est possible que l'expulsion apparaisse alors que le noyau

fondu n'a pas atteint sa taille maximum. On parle alors d'expulsion prmature. Le domaine de

soudabilit s'en trouve rduit. Le domaine ainsi obtenu est illustr Figure 1-9. Cette dfinition du

domaine de soudabilit est la plus souvent rencontre. Elle est particulirement adapte aux aciers

ferritiques pour lesquels la progression du mode de rupture prsente ci-dessus est en gnral

effectivement observe. En effet, si lon suppose une volution monotone et croissante de l'effort la

rupture avec le diamtre de bouton, garantir un diamtre de bouton minimum au dessus d'une certaine

intensit de soudage revient garantir une tenue mcanique du point soud.

Il existe d'autres dfinitions pour le diamtre de bouton minimum b min

d dans les normes trangres

([JSA 89], [PET 06a]), telles que :

b mind 4 e ou encore b mind 5 e , o e est lpaisseur de tle.

Ces relations, dveloppes l'origine pour les aciers ferritiques, correspondent un diamtre de bouton

(en ralit, un niveau de dveloppement du noyau fondu) au-del duquel on n'observe statistiquement

plus de rupture interfaciale.

Cependant, il est tout fait possible de

dfinir un domaine de soudabilit en

dfinissant simplement un effort

d'arrachement minimum du point soud,

sans prendre en compte le mode de

rupture. On obtient alors de la mme

faon une limite basse du domaine en

intensit et une limite haute l'apparition

de l'expulsion. Cette pratique se justifie

par le fait qu'une rupture interfaciale

Figure 1-9. Dfinition du domaine de soudabilit l'aide du diamtre de bouton, daprs [BLO 01a]

Chapitre 1 p. 25

(totale ou partielle) ne signifie pas que le point n'a pas t soud et l'effort d'arrachement correspondant

n'est pas ngligeable. Ceci s'applique en particulier aux aciers THR dont le mode de rupture est parfois

complexe. Dans certains cas, il est possible d'observer de la rupture interfaciale totale ou partielle

jusqu' la limite d'expulsion. Pour ces aciers, il n'est donc plus possible de dfinir un diamtre de

bouton minimum garantissant la disparition de la rupture interfaciale pour les conditions de soudage

donnes.

Chapitre 2 p. 26

Chapitre 2. Comportement mcanique des points souds en

sollicitation quasi-statique

Le mode de rupture et la tenue mcanique sont deux caractristiques importantes dun point soud,

souvent utilises comme une synthse de son comportement sous une sollicitation donne. La premire

partie de ce chapitre est consacre une description du comportement des points souds lorsquils sont

soumis une sollicitation quasi-statique telle que la traction cisaillement ou la traction en croix. Les

modles simples dcrivant ce comportement sont ensuite prsents.

2.1. Approches exprimentales du comportement mcanique des

points souds

2.1.1. Comportement mcanique des points souds en aciers ferritiques

Les aciers ferritiques sont utiliss depuis de nombreuses dcennies dans lindustrie automobile et leur

soudabilit par points a t trs largement tudie. Williams ([WIL 79], [WIL 81]) en rsume quelques

aspects importants. Les essais de traction cisaillement et de traction en croix classiquement utiliss en

laboratoire pour caractriser la tenue des points souds permettent de solliciter diffrents aspects de la

soudure : dans le premier, linterface entre les deux tles est sollicite macroscopiquement en

cisaillement et la triaxialit des contraintes en fond dentaille est relativement faible. A linverse, elle

est beaucoup plus leve en traction en croix, o le fond dentaille est sollicit davantage en mode

douverture.

Les notions de mcanique de la rupture utilises dans

la suite sont introduites en Annexe 1.

Laugmentation de la taille du noyau fondu courant

de soudage croissant saccompagne dune

augmentation de la tenue mcanique des points et

dune transition dans le mode de rupture entre rupture

interfaciale (FIF) et dboutonnage (BP), illustre la

Figure 2-1. Cette transition est influence par un

certain nombre de facteurs, en traction cisaillement

comme en traction en croix :

Figure 2-1. Transition dans le mode de rupture en traction en croix diamtre de noyau

croissant, daprs [CHA 03b]

Chapitre 2 p. 27

1) Facteurs gomtriques influant sur la sollicitation mcanique :

- dimensions relatives du noyau fondu vis--vis de lpaisseur de tle et de la largeur de

lprouvette,

- espacement entre mors de la machine de traction,

- acuit du fond dentaille.

2) Facteurs mtallurgiques lis au cycle thermique vcu localement et la composition chimique de

lacier :

- trempabilit de lacier et fragilit des phases dures pouvant tre formes au cours du soudage,

- proprits mcaniques relatives du Mtal de Base et des diffrentes zones du point soud,

- microstructure en fond dentaille, les phases fragiles favorisant la rupture interfaciale en mode

douverture,

- inclusions ou porosits pouvant influencer le chemin de fissuration.

Il est noter que le diamtre de noyau fondu est lui-mme sensible aux proprits physiques de lacier

et aux conditions de soudage. Les points de faible taille par rapport la surface active des lectrodes

prsentent en gnral un fond dentaille trs aigu, alors quil prend une forme plus mousse lorsque le

noyau se rapproche du diamtre des lectrodes.

2.1.1.1.Mcanismes de rupture

De nombreux auteurs se sont intresss de faon dtaille aux mcanismes de rupture des points souds

en aciers ferritiques ([ZUN 97], [LIN 02], [CHA 03a], [LAN 04], [LEE 05b], [MAH 07], [POU 07],

[TAO 08]), gnralement dans une optique de modlisation de leur tenue mcanique qui sera prsente

au paragraphe 2.2 et au chapitre Chapitre 1.

a. Dboutonnage

Dans le cas de points souds de taille suffisante pour

dboutonner, les sollicitations qui se traduisent par un effort

rsultant normal important au centre du point (FN Figure 2-2)

aboutissent en gnral un dboutonnage par rupture ductile

dans lpaisseur en bordure du noyau fondu (Figure 2-3-b).

Cette situation est rencontre par Zuniga & Sheppard [ZUN 97]

en pelage dans le cas dun acier HSLA, par Chao [CHA 03a] et

Lee et al. [LEE 05b] en traction en croix, ou encore par Lin et

al. [LIN 02], Langrand & Combescure [LAN 04] et Mahelle

[MAH 07] dans des sollicitations mixtes du point dont la

Figure 2-2. Dcomposition de leffort appliqu sur le point dans une

prouvette en U

FN

FT

F

Chapitre 2 p. 28

composante normale est dominante. Ces ruptures se caractrisent par un facis ductile et cisaill tel

quillustr Figure 2-3-c. Zuniga & Sheppard [ZUN 97] observent que la localisation prcise du

dboutonnage volue entre la ZAT grains fins (GFZAT) et la bordure immdiate du noyau fondu,

selon le degr douverture du fond dentaille dans la zone de diffusion plus ou moins bien soude, dans

les premires phases de lessai. La fissuration dans lpaisseur ne se produit que juste avant davoir

atteint leffort maximum (Figure 2-3-a).

a) b) c)

Figure 2-3. Courbes de traction en croix, daprs [LEE 05b] (a), dboutonnage en bordure du noyau (b) et son facis ductile cisaill (c), daprs [CHA 03a]

Figure 2-4. a) Courbe de traction cisaillement, daprs [LEE 05b], b) Dboutonnage par striction dans le Mtal de Base, daprs [ZUN 97], c) facis ductile dans la zone de rupture, daprs [CHA 03a]

Les points souds dans des conditions identiques et soumis un chargement se traduisant par un effort

rsultant dominante tangentielle (FT Figure 2-2) ont tendance rompre par une localisation de la

dformation plastique (striction) dans le Mtal de Base proximit du point (Figure 2-4-b), ou dans

certains cas dans la ZAT et prsentent un facis ductile (Figure 2-4-c). Zuniga & Sheppard [ZUN 97],

Chao [CHA 03a], Lee et al. [LEE 05b], Pouranvari et al. [POU 07] et Tao et al. [TAO 08] rapportent ce

type de rupture en traction cisaillement, de mme que Lin et al. [LIN 02], Langrand & Combescure

[LAN 04] et Mahelle [MAH 07] dans des sollicitations mixtes du point dont la composante tangentielle

est dominante. Leffort maximum est atteint au moment o la rupture sest amorce dans la zone de

a) b) c)

1 2

3 4

Chapitre 2 p. 29

striction et la chute progressive de leffort qui sen suit (Figure 2-4-a) correspond au dchirement du

mtal autour du point.

b. Rupture interfaciale

Dans les cas de rupture interfaciale, correspondant des noyaux de dimensions rduites ou des tles

dpaisseur plus importante, la rupture se fait : (i) par ouverture du fond dentaille et propagation dans

le noyau fondu lorsque leffort normal sur le point est dominant (traction en croix ou pelage), (ii) par

cisaillement de linterface lorsque leffort tangentiel est prpondrant (traction cisaillement). Williams

et Jones [WIL 79] mentionnent que la rupture interfaciale ne doit pas tre associe une rupture

fragile, mme si cette dernire est frquemment observe dans les configurations o des

microstructures de type fragile en fond dentaille (martensite charge en carbone) sont sollicites en

mode douverture. Ils observent ainsi des facis ductiles sur des points souds en acier ferritique ayant

rompu linterface. De mme, Pouranvari et al. [POU 07] et Tao et al. [TAO 08] observent des facis

ductiles cisaills en traction cisaillement sur des aciers ferritiques dans les cas de rupture linterface

(Figure 2-5).

a) b)

Figure 2-5. a) Rpartition schmatise des contraintes dans le point en traction cisaillement daprs [POU 07], b) facis cisaill linterface en traction cisaillement daprs [TAO 08]

2.1.1.2.Influence du mtal de base sur le mode de rupture

La sensibilit du mode de rupture et de la tenue mcanique vis--vis de la composition chimique du

mtal de base est souvent exprime laide de la notion de carbone quivalent Ceq [YUR 82], dont

lexpression la plus utilise est celle de lIIS (Institut International de la Soudure). Elle permet

destimer leffet des lments dalliage sur la trempabilit de lacier :

15

CuNi

5

VMoCr

6

MnCCeq IIS , Equation 2-1

o la composition chimique en pourcentage pondral

Dinsdale ([DIN 75] et [DIN 77]) remarque en tudiant la soudabilit de divers aciers ferritiques de Ceq

variant entre 0.1 et 0.2 que la tenue en traction cisaillement TSS nest pas affecte par le Ceq, mais que

Chapitre 2 p. 30

la tenue en traction en croix CTS peut tre rduite de 63 % pour les Ceq les plus levs. Daprs les

mcanismes de rupture prsents plus haut, cela peut sinterprter par le fait que la rupture en traction

cisaillement est assez peu sensible la fragilit des microstructures formes en fond dentaille et dans

le noyau, alors quelles sont directement sollicites en mode douverture en traction en croix.

Fine & Fostini [FIN 79] observent aussi un effet important de la composition chimique sur la tenue

mcanique et le mode de rupture pour divers aciers de limite dlasticit nominale 275 MPa. Ils

mentionnent cependant que le mode de rupture seul, ou une tenue mcanique donne en traction

cisaillement ou en traction en croix ne peut pas tre un bon indicateur de la qualit du point, dans la

mesure o lacier le plus sensible la rupture interfaciale peut tre celui prsentant la meilleure tenue

en traction cisaillement par exemple.

Ewing et al. [EWI 82] constatent dans une tude mene sur divers aciers ferritiques et aciers HSLA une

augmentation gnrale de la tenue mcanique du point avec la vitesse de chargement, sans changement

du mode de rupture et quel que soit lessai. Leffort la rupture en traction cisaillement TSS peut tre

jusqu dix fois plus lev que celui atteint en pelage et prsente une corrlation avec laugmentation

de la rsistance mcanique du mtal de base, alors que les tenues en traction en croix et en pelage y

sont moins sensibles. Ces observations restent cohrentes avec les mcanismes de rupture avancs plus

haut, dans la mesure o le dboutonnage se fait par striction dans le Mtal de Base en traction

cisaillement et o il est plutt influenc par ltat de contrainte en fond dentaille et les proprits

mcaniques de la ZAT en traction en croix ou pelage.

2.1.2. Comportement mcanique des points souds en aciers (Trs)

Haute Rsistance

La soudabilit des aciers THR prsente un certain nombre de particularits, lies la rsistance

mcanique plus leve des tles, leur rsistivit accrue par la quantit dlments dalliage, ainsi qu

la trempabilit plus leve et la fragilit potentielle des phases formes. Une consquence importante

est la sensibilit accrue des points souds en acier THR aux modes de rupture partiellement ou

totalement linterface.

Ces particularits conduisent une adaptation des pratiques de soudage par rapport celles utilises

classiquement pour les aciers ferritiques, ce qui se traduit, de faon gnrale, par une augmentation de

leffort de soudage, un ajustement des temps de soudage et de maintien de faon contrler la vitesse

des cycles thermiques appliqus et ventuellement lutilisation de pr/post chauffage ([JON 81], [SHI

04], [ISI 06]). Ces modifications peuvent permettre la fois dinfluer sur les niveaux relatifs de

proprits mcaniques dans les diffrentes zones du point soud (tnacit en fond dentaille en

Chapitre 2 p. 31

particulier) et de favoriser des formes de fond dentaille mousses limitant les concentrations de

contraintes.

Les sollicitations composante normale dominante (traction en croix, pelage) induisant une triaxialit

leve en fond dentaille sont les plus sensibles une rupture prmature linterface. Gould &

Workman [GOU 98] rsument les conditions favorisant la rupture interfaciale (partielle ou totale) de la

faon suivante :

- triaxialit importante, qui concerne en particulier les soudures de petite taille,

- fragilit des microstructures en fond dentaille et dans le noyau (lie la trempabilit de lacier

et la teneur en carbone, principalement),

- prsence de porosits, en particulier en bordure de noyau, constituant un chemin prfrentiel de

fissuration.

La premire condition est principalement gouverne par des considrations mcaniques lies la

gomtrie de lassemblage et au mode de sollicitation. Les deux autres sont, quant elles, troitement

lies la nature des tles soudes et au type de cycle thermique impos.

2.1.2.1.Sensibilit au temps de maintien

La notion de sensibilit au temps de maintien ("hold time sensitivity") est souvent mise en avant dans

le cas des aciers THR. Elle est illustre par Gould & Workman [GOU 98] en pelage laide de deux

aciers, lun charg en carbone et manganse (prsentant une trempabilit leve), lautre faiblement

alli mais avec une teneur en phosphore importante (durcissement de solution solide).

Lacier C-Mn rompt linterface en prsentant un facis de clivage transgranulaire principalement dans

lequel sont aussi prsentes de fines zones ductiles (Figure 2-6-a). Dans ce cas, un temps de maintien

court peut permettre de rduire la vitesse de refroidissement (contact rduit avec les lectrodes de

cuivre), ce qui limite la tendance former de la martensite en fond dentaille et dans le noyau.

Lacier au phosphore prsente, quant lui, de nombreuses porosits interdendritiques en bord de

noyau, lies la sgrgation des lments (phosphore en particulier) en cours de solidification et son

facis de rupture interfaciale montre des zones de ductilit dans le rseau de porosits (Figure 2-6-b).

L encore, un temps de maintien court aurait tendance rduire la vitesse de solidification, ce qui

permettrait dobtenir une distribution de porosits moins dsavantageuse.

Ainsi, la sensibilit au temps de maintien des aciers THR peut tre explique par leffet des vitesses de

solidification et de refroidissement sur la formation de porosits dans le noyau et sur la formation de

microstructures fragiles, respectivement.

Chapitre 2 p. 32

a) b)

Figure 2-6 : Rupture linterface en pelage : a) Clivage de lacier C-Mn, b) porosits interdendritiques et ductilit dans lacier au Phosphore, daprs [GOU 98]

2.1.2.2.Effet de la composition chimique sur le mode de rupture

La sensibilit du mode de rupture vis--vis de la composition chimique de lacier a t tudie par de

nombreux auteurs ([NIS 82], [DEF 84], [SAW 84], [TAN 84], [MOO 89], [FER 98], [GOU 98], [OSA

03], [MAR 05a], ) et a abouti dans les annes 80 la formulation dun certain nombre de relations de

type "carbone quivalent", visant prendre en compte la fois leffet durcissant ou trempant

dlments comme le carbone, le silicium ou le manganse et leffet des sgrgations du phosphore ou

du soufre par exemple au cours du soudage. Lune des plus utilises est celle de Nishi [NIS 82] :

S4P220

Mn

30

SiCCeq Nishi , Equation 2-2

o la composition chimique en pourcentage pondral.

Cette relation a t tablie sur une centaine daciers durcissement de solution solide, lamins froid

une paisseur de 0.8mm, dans des conditions de soudage identiques lexception du courant ajust

pour obtenir un diamtre de noyau constant (4.8mm) et du temps de maintien (5 ou 25 priodes). Pour

un temps maintien de 25 priodes, un carbone quivalent NishiCeq de 0.24 permet de dpartager les

points rompant linterface (partiellement ou totalement) de ceux rompant par dboutonnage total.

Cette valeur est de 0.31 pour 5 priodes de temps de maintien, en concordance avec leffet de

sensibilit au temps de maintien. La relation de Nishi a t longtemps utilise dans lindustrie

automobile comme rfrence concernant la soudabilit par points dune nuance dacier, malgr les

mises en garde de lauteur sur le caractre spcifique de la limite obtenue vis--vis des conditions

mcaniques/gomtriques de ltude (paisseur et noyau fix, type dessai) et des conditions de

soudage.

Chapitre 2 p. 33

2.1.2.3.Effet du mode de rupture sur la tenue mcanique

Si la propagation dune rupture interfaciale depuis le fond dentaille peut entraner une rupture

prmature dans les sollicitations du point soud en mode douverture (traction en croix, pelage, ), en

particulier pour des noyaux de faible taille, il nen est pas forcment de mme dans les sollicitations o

le cisaillement de linterface est dominant (traction cisaillement). Ainsi, Peterson [PET 02] constate

pour un acier martensitique (1500 MPa) dans un plan dexprience diamtre de noyau constant que

leffort la rupture en traction cisaillement TSS et lnergie absorbe ne sont en moyenne pas

significativement diffrents pour les points dboutonns et les points rompus linterface. En revanche,

lnergie absorbe et leffort la rupture en traction en croix sont plus importants en dboutonnage.

Sun et al. ([SUN 06] et [SUN 08]) obtiennent des rsultats quelque peu diffrents dans ltude dun

DP800 pour un diamtre de noyau constant dans le domaine de transition entre rupture interfaciale et

dboutonnage en traction en croix : CTS est peu sensible au mode de rupture, en revanche, lnergie

absorbe est nettement plus importante en dboutonnage. Ils observent ensuite environ 10% de plus

pour TSS en dboutonnage et une nergie absorbe elle aussi plus importante, ainsi quune distribution

plus disperse de leffort et de lnergie en rupture interfaciale.

Il est noter que le diamtre de noyau a de faon unanime une influence fondamentale sur la tenue

mcanique du point (en traction en croix comme en traction cisaillement) et quil existe en gnral un

diamtre de noyau critique permettant de passer dun domaine de rupture dominante interfaciale un

domaine de dboutonnage, moyennant ventuellement un ajustement des conditions de soudage pour

les nuances les plus sensibles la rupture interfaciale. Dans ce cadre, il apparat que le mode de rupture

interfacial correspond globalement une tenue mcanique infrieure celle que lon peut observer en

dboutonnage, comme cela est frquemment suggr dans la littrature, mme si linfluence du mode

de rupture dans des conditions de sollicitation strictement identiques est moins vidente.

2.1.2.4.Elimination des ruptures interfaciales

Peterson [PET 02], de mme que Cretteur et al. [CRE 02] et Mimer et al. [MIM 04] ont propos un

certain nombre de mthodes pour limiter lapparition de la rupture interfaciale, bases sur des

variations du cycle de soudage (ajustements des temps et effort de soudage, rduction du temps de

maintien, cycle de revenu post-soudage, dcroissance progressive de lintensit de soudage) ou encore

sur la dilution du mtal problmatique (fortement trempant) dans le noyau fondu laide dune fine tle

dacier faiblement alli. Nanmoins, ces mthodes, mme efficaces pour liminer la rupture

interfaciale, peuvent avoir des consquences diffrentes sur la tenue mcanique du point selon lessai,

Chapitre 2 p. 34

dans la mesure o elles agissent sur les niveaux relatifs de proprits mcaniques des diffrentes zones

du point.

2.1.2.5.Revenu dans le Mtal de Base

Un autre aspect important de la soudabilit des aciers

THR concerne les phnomnes de revenu pouvant avoir

lieu dans la martensite issue du Mtal de Base en zone

subcritique (temprature atteinte infrieure Ac1). Il est

particulirement visible sur les nuances Dual Phase dont

le grade est suprieur ou gal 800 MPa ([BIR 06],

[SUN 06], [KHA 08], [BAL 08], Figure 2-7).

Ladoucissement des proprits mcaniques dans cette

zone peut y tre propice la localisation de la

dformation au cours de lessai et favoriser le

dboutonnage, mais il limite en contrepartie leffort

maximum atteignable.

2.1.2.6.Mcanismes de rupture

Les mcanismes de rupture sont principalement les mmes pour les aciers THR et pour les aciers

ferritiques. En traction cisaillement, ils impliquent un cisaillement ductile de linterface ([MIL 03],

[SOH 08], [MA 08], [MAR 05a]) en comptition avec une localisation de la dformation dans le Mtal

de Base proche du point ou dans la zone subcritique revenue ([KHA 08], [BAL 08], [MAR 06], illustr

Figure 2-8). Khan et al. [KHA 08] observent nanmoins aussi des cas de dboutonnage partiel dans le

noyau fondu.

En traction en croix, lallure des boutons obtenus suggre en gnral les mmes mcanismes ductiles

que dans le cas des aciers ferritiques, dans le mtal de base comme en Zone Affecte Thermiquement

(Figure 2-9). Nanmoins, les zones de fissurations interfaciales peuvent faire intervenir des

mcanismes la fois fragiles et ductiles comme illustr par Nishi et al. [NIS 82], Moore et al. [MOO

89] et Gould & Workman [GOU 98]. La dviation ventuelle de la fissure interfaciale conduisant une

rupture partielle linterface (PIF) a t relativement peu tudie. Nait-Oultit et al. [NAI 08]

mentionnent deux mcanismes potentiels :

Figure 2-7. Profils de duret dans des points souds en acier THR ; revenu de la

martensite du Mtal de Base dans le DP780, daprs [KHA 08]

Chapitre 2 p. 35

- leffet de la microsgrgation importante en bordure de noyau et dans les zones

interdendritiques des grains colonnaires de la zone fondue,

- la prsence de barrires microstructurales dans la zone grains fins du bord du noyau, lies par

exemple la haute densit de joints de grain et des variantes de martensite particulires.

a) b)

Figure 2-8. a) Striction dans un assemblage htrogne DP600/DP780, b) dcohsion aux interfaces ferrite/martensite dans la zone de striction dun DP600, daprs [BAL 08]

Figure 2-9. Rupture par dboutonnage en ZAT et dans le mtal de base en traction en croix, daprs [BAL 08]

2.1.3. Conclusions partielles Approches exprimentales du

comportement mcanique des points souds

Le comportement mcanique en sollicitation quasi-statique des points souds en aciers ferritiques ou

(trs) haute rsistance est sensible de nombreux paramtres lis la nature mme de lacier, au cycle

thermique vcu par le point soud (et surtout ses consquences sur les microstructures et proprits

mcaniques dans les diffrentes zones du point) et de faon non moins dterminante, aux

caractristiques gomtriques et mcaniques de lassemblage et de son mode de sollicitation. Il est ainsi

tabli de faon unanime que le diamtre de noyau, lpaisseur de tle et le mode de sollicitation ont une

influence fondamentale sur la tenue mcanique et le mode de rupture dun point soud, son

comportement pouvant tre trs diffrent dun essai un autre. En reprenant les conclusions de [WIL

Chapitre 2 p. 36

79] et de [GOU 98], il est possible de synthtiser les facteurs dinfluence suivants (sans hirarchisation

de leur effet) :

1) Mode de sollicitation :

- effort rsultant au centre du point dominante normale ou tangentielle,

- tat de contrainte aux diffrentes interfaces (plan de joint, frontires entre les ZAT du point),

- triaxialit locale et zones de concentrations de contraintes (fond dentaille par exemple).

2) Facteurs gomtriques influant sur la sollicitation :

- dimensions relatives du noyau vis--vis de lpaisseur de tle et de la largeur de lprouvette,

- espacement entre mors dans la machine de traction,

- acuit du fond dentaille.

3) Facteurs mtallurgiques lis au cycle thermique vcu localement et la composition chimique de

lacier :

- trempabilit de lacier et fragilit des phases dures pouvant tre formes au cours du soudage,

- proprits mcaniques relatives entre le Mtal de Base et les diffrentes zones du point soud

(zones dadoucissement ou zones trempes),

- microstructure en fond dentaille, la fragilit favorisant la rupture interfaciale en mode

douverture,

- inclusions ou distribution nfaste de porosits pouvant influencer le chemin de fissuration.

Ltat des contraintes rsiduelles dans le point suite lopration de soudage nest pas mentionn dans

ces conclusions, mais il est identifi comme un facteur potentiellement influent.

Les mcanismes dendommagement relevs dans la littrature font intervenir pour lessentiel des

mcanismes ductiles en cas de dboutonnage et en cas de cisaillement de linterface (mcanismes

contrls par lendommagement ductile ou par la localisation de la dformation), alors que les ruptures

interfaciales en mode douverture peuvent faire intervenir des mcanismes fragiles si des

microstructures sensibles la fragilit sont prsentes en fond dentaille.

2.2. Modles simples du comportement mcanique des points

souds

Lvolution du mode de rupture dun point soud sollicit en traction en croix ou en traction

cisaillement peut tre apprhende laide de lois mcaniques simples dcrivant la charge ncessaire

la rupture pour le dboutonnage dune part et pour la rupture interfaciale dautre part. Ces modles

simples sont prsents dans la suite en traction en croix et en traction cisaillement.

Les symboles utiliss sont rfrencs dans la table des symboles.

Chapitre 2 p. 37

2.2.1. Modles en traction en croix

2.2.1.1.Dboutonnage

Il est possible destimer la charge la rupture en dboutonnage (BP) en supposant une distribution de

contraintes autour du point soud et en lintgrant ensuite sur la surface de dboutonnage. Dans le cas

de la traction en croix, lhypothse la plus simple consiste supposer une distribution uniforme et

lintgration du champ de contraintes sur la surface de rupture (Figure 2-10) conduit alors :

F = .dn.e.

Figure 2-10. Schma de la surface de rupture Af en dboutonnage

Figure 2-11. Exemples de distribution des contraintes autour dun noyau cylindrique, daprs [CHA 03] a) traction en croix, b) traction cisaillement

Etant donn ltat macroscopique de cisaillement autour du noyau, on peut estimer que la charge la

rupture CTSBP est atteinte quand la contrainte a atteint la rsistance au cisaillement du matriau, :

CTSBP = .dn.e. Equation 2-3

On considre donc ici une relation de proportionnalit entre la surface de rupture Af = .dn.e et la

charge la rupture. De nombreux auteurs ont adopt cette description simple du dboutonnage ([SAK

03], [SUN 06], [KUO 04], [SMI], [CHA 03a]), dont lexpression sera nuance par :

- la distribution suppose des contraintes autour du point : uniforme, cos( ), cos(2 ), dont des

exemples sont illustrs la Figure 2-11,

- ltat de contrainte dominant suppos : traction ou cisaillement et limplication sur la valeur

limite atteinte : Rm, , qui peuvent tre relies par la thorie de Von Mises ou de Tresca,

dn

e

Af = .dn.e

Dboutonnage

max cos

max cos

Chapitre 2 p. 38

- la zone de rupture considre : bord du noyau ou Mtal de Base en bordure de ZAT

martensitique

Les relations qui en dcoulent sont rsumes dans le Tableau 2-1.

2.2.1.2.Rupture interfaciale

Dans le cas de la rupture interfaciale (FIF) en traction en croix, deux approches coexistent. La premire

suppose le mme type de proportionnalit entre la surface de rupture dans le plan de joint (Figure 2-12)

et la charge la rupture, en introduisant la limite dlasticit ou la rsistance mcanique du noyau

fondu comme paramtre critique ([SUN 06], [KUO 04]). On obtient alors une relation du type :

ZF

2

nFIF Rel

2

dCTS Equation 2-4

Figure 2-12. Schma de la surface de rupture Af en rupture interfaciale

La deuxime approche propose lintroduction

de relations issues de la mcanique linaire

lastique de la rupture pour apprhender

linitiation dune fissure interfaciale brutale

partir du fond dentaille.

Smith, [SMI] et Chao, [CHA 03b] estiment le

Facteur dIntensit des Contraintes (FIC) en

mode I en fond dentaille dans le point soud

partir de la relation tablie par Tada et al.

[TAD 85] dcrivant le FIC en fond dentaille

dans le cas dune jointure de diamtre d

sparant deux plaques semi-infinies soumises un chargement ponctuel suivant laxe de symtrie

(Figure 2-13). Ils aboutissent la relation suivante pour lexpression de la charge la rupture en

traction en croix en cas de rupture interfaciale brutale :

e

dK1.25CTS

5/2

nIcFIF , Equation 2-5

o KIc est le FIC critique en mode I (assimil la tnacit) de la zone fondue.

Figure 2-13. Facteur dIntensit des Contraintes approch en fond dentaille dans un point soud,

daprs [CHA 03b]

dn Af = .dn

2/4

Rupture interfaciale

Chapitre 2 p. 39

2.2.1.3.Diamtre de noyau critique

Toutes les relations estimant leffort la rupture en traction en croix (CTS) sont des fonctions du

diamtre de noyau fondu dn. En galisant la relation postule pour le dboutonnage celle postule

pour la rupture interfaciale, on obtient une expression du

diamtre de noyau fondu critique n c

d correspondant la

transition entre le domaine de rupture interfaciale (CTSFIF <

CTSBP) et le domaine de dboutonnage (CTSBP < CTSFIF).

Les diamtres critiques obtenus avec les diffrentes relations

de la littrature en traction en croix sont consigns dans la

dernire colonne du Tableau 2-1. Le diamtre critique de

Chao [CHA 03b] est reprsent Figure 2-14 et sa

confrontation exprimentale est illustre Figure 2-1 au

paragraphe 2.1.1.

2.2.1.4.Relations empiriques en traction en croix

Il existe dans la littrature un certain nombre de relations empiriques exploitant lide de la

proportionnalit entre CTSBP et la surface de rupture en dboutonnage estime par le produit e.db,

couple leffet dautres facteurs cibls comme potentiellement influents, tels que le carbone

quivalent de lacier dorigine (Ceq) ou la teneur en un certain nombre dlments chimiques ([MOO

89], [FER 98], [DIE 02]). Ces modles sont lists dans le Tableau 2-1 et correspondent des

ajustements statistiques de leffet des diffrentes variables sur un jeu de donnes exprimentales cibl

sur un certain nombre de nuances daciers.

Enfin, W. Peterson et al. ([PET 06a]) ont dtermin une relation donnant les proprits minimales que

l'ont doit pouvoir attendre d'une tle en traction en croix (CTSmin). Cette relation a t tablie partir de

rgressions faites sur des donnes exprimentales regroupant un grand nombre de sources. Elle indique

que le CTSmin d'une tle ne dpend que de son paisseur e et en particulier, pas de son Rm. Cette

relation est considre par les auteurs comme valide pour des paisseurs allant de 0.6 3.0 mm et pour

tous les aciers dont la rsistance mcanique Rm est suprieure ou gale 350 MPa :

2.2

min e1.25CTS avec e en mm et CTS en kN Equation 2-6

Figure 2-14. Expressions de CTS en Dboutonnage et en rupture interfaciale,

d'aprs [CHA 03b]

Chapitre 2 p. 40

Auteurs [rf.] Modle n cd

Sakuma &

Oikawa

[SAK 03] mnBP RdeCTS avec : constante dajustement -

Sun et al.

[SUN 06]

ZATnBP ReledCTS ZAT

n cZF

Reld 4 e

Rel

ZF

2

n

FIF Rel2

dCTS

Kuo & Chiang

[KUO 04]

deH

HCTS n

MB

ZFBP

n cm

4d e

R

4

Rd

H

HCTS m

2

n

MB

ZFFIF

Smith [SMI]

MBnBP ed2CTS 2/34/3MB

n cIC

d 2.93 e

K

e

dK1.25CTS

5/2

nIcFIF

Chao

[CHA 03b]

ZATnBP edCTS 2/3

4/3ZATn c

IC

d 0.86 e

K

e

dK1.25CTS

5/2

nIcFIF

Moore et al.

[MOO 89] Si]0.395P730

S41C7.2[1.393deRm3.2CTS

2

bBP

avec Rm en MPa, e et db en mm et les lments chimiques en wt%

-

Ferrasse et al.

[FER 98]

C6.6-Ceq2.5)d(e9870CTS bBP ,

avec CTS en daN, e et db en mm, Ceq et C en 10-3 wt%, Ceq : carbone

quivalent de l'IIS

-

Dieng et al.

[DIE 02]

C6.5Ceq0.96-)d(eC]0.76-[18326.2CTS bBP ,

avec CTS en daN, e et db en mm, Ceq : et C en 10-3 wt%,

Ceq carbone quivalent de l'IIS

-

Peterson et al.

[PET 06a] 2.2

min e1.25CTS avec e en mm et CTS en kN -

Tableau 2-1. Modles simples d'estimation de la tenue mcanique en traction en croix, avec : e : paisseur ; db, dn : diamtres de bouton et de noyau ; H : duret ; KIc : tnacit du noyau

Rel, Rm : limite dlasticit et rsistance mcanique ; : rsistance au cisaillement ; MB : Mtal de Base, ZAT : Zone Affecte Thermiquement, ZF : Zone Fondue

2.2.2. Modles en traction cisaillement

Les approches dveloppes en traction en croix se retrouvent dans le cas de la traction cisaillement. Les

relations visant estimer la charge la rupture TSS sont synthtises dans le Tableau 2-2. Elles sont

bases sur :

Chapitre 2 p. 41

- la proportionnalit entre TSSBP et la surface de rupture en dboutonnage ([SAK 03], [KUO 04],

[CHA 03a]), donnant lieu des expressions de la forme :

MBnBP RmdeTSS , o est une constante dajustement, Equation 2-7

- proportionnalit entre TSSFIF et la surface de rupture en plan de joint ([SAK 03], [KUO 04],

[SAT 04]), conduisant des expressions de la forme :

ZF

2

nFIF Rm

2

dTSS , o est une constante dajustement, Equation 2-8

- utilisation de la mcanique linaire lastique de la rupture dans le cas dune sollicitation de type

traction-cisaillement ([SEV 05], [ROK 84]).

Quelques relations se distinguant de ces approches sont dtailles dans la suite, en dboutonnage et en

rupture interfaciale.

2.2.2.1.Cas du dboutonnage

a) b)

Figure 2-15. concentration de contraintes sur le point (a)

et allure de la courbe de rfrence = f (dn/L) (b), daprs [SAT 01] et [SAT 06]

Satonaka et al. [SAT 04] ont introduit la notion de concentration de contraintes autour du point dans le

cas du dboutonnage en traction cisaillement. Ils dfinissent le coefficient , rapport de la contrainte

locale maximum ( ns) autour du point sur la contrainte nominale dans la section de lprouvette ( n),

tel quillustr Figure 2-15. Ils en dduisent que leffort la rupture TSSBP est le produit de la section de

lprouvette par la contrainte nominale au moment o la contrainte locale atteint la rsistance

mcanique de la ZAT (RmZAT) :

RmeLTSS ZATBP , Equation 2-9

Chapitre 2 p. 42

avec n

ns

lorsque ns=RmZAT, L : largeur de lprouvette

Satonaka, [SAT 06], mentionne que la courbe = f(dn/L) (voir Figure 2-15) est une courbe de

rfrence dans laquelle se retrouvent de nombreuses configurations de points souds en traction

cisaillement.

2.2.2.2.Cas de la rupture interfaciale

Dans le cas de la rupture interfaciale en traction cisaillement, Sevim ([SEV 05]) a propos une

corrlation entre la duret Vickers de la ZAT (HZAT) et la tnacit KIIc du point soud en mode II, mode

suppos dominant en traction cisaillement. Il utilise pour cela la relation tablie par Zhang ([ZHA 97])

en lasticit linaire, liant le Facteur dIntensit des Contraintes en mode II (KII) dun point soud

sollicit en traction cisaillement la force applique :

ed

2FK

n

II Equation 2-10

Il obtient ainsi la relation :

IIcnRPJ Ked2

1TSS avec

ZAT

IIcH

147440K , HZAT en GPa Equation 2-11

2.2.2.3.Relations empiriques en traction cisaillement

Notons, par ailleurs, quil existe un certain nombre de relations empiriques liant leffort la rupture en

traction cisaillement TSS diffrentes variables dcrivant le point soud, les principales tant

lpaisseur de tle e et la rsistance mcanique Rm du mtal de base ([YAM 00], [KAB 96] dans le

Tableau 2-2).

Enfin, comme prcdemment pour la traction en croix, W. Peterson et al. [PET 06a] ont mis au point

une